一种泥石流力学参数监测系统及泥石流预警系统

摘要

本发明公开了一种泥石流力学参数监测系统及泥石流预警系统。针对现有技术中在泥石流发生预警中存在的缺陷，本发明首先提供了一种泥石流力学参数的监测系统。该系统利用监测断面D上获取的总应力监测值P与泥石流流深监测值h，实时计算监测泥石流重度γ

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流监测系统与泥石流预警系统，特别是涉及一 种以泥石流力学参数为监测值、临界条件的泥石流监测系统与泥石流预 警系统，属于灾害监测、泥石流防治工程领域。

背景技术

泥石流灾害预警是在泥石流即将发生或者已经发生尚未到达危险区 的之前，发出预警信息，为人员疏散撤离赢得时间，减免人员伤亡。其 核心是泥石流起动、形成、运动等方面的科学监测方法，以及对灾害发 生临界条件的合理确定。

泥石流发生监测与预警一直是泥石流灾害防治领域的重要，目前的 技术方法主要包括三大类型：第一类是通过CCD传感器(照相或录像) 对泥石流沟道进行监测，直观判断泥石流是否发生，以及发生的规模等。 该方法基于GPRS技术的图像抓拍传感器只能定时拍摄泥石流发生区域 照片，提供泥石流是否发生的影像，很难给出定量的预警报信息，且往 往在雨夜难以保障正常运行，难以获取信息，易造成灾害漏报；第二类 是以降雨作为控制参数的监测预警方法，主要通过雨量计测得实时降雨 数据，再利用灾害发生事件与降雨参数(主要是降雨量与降雨历时)统 计分析建立的模型，进行预警。这类方法需要较大的样本才能保证预报 的精度，加之泥石流流域地质和地貌条件的区域差异，不同区域的降雨 历时一强度曲线具有较大差异，很难在建模样本区域以外应用，其推广 和应用受到较大限制；第三类是以土壤水分作为控制参数的监测预警方 法，主要通过土壤水分(包括土体含水量、土体孔隙水压力等)与土体 强度的关系，判断泥石流发生。这类方法只是考虑了泥石流形成过程中 的土体破坏这一个环节，没有考虑破坏土体与地表水耦合形成泥石流的 过程，因此不能回答灾害预警最关心的类似“土体破坏能否形成泥石 流？”的一系列问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流力学参数 的监测系统，该系统能够对泥石流流深、流速、峰值流量、重度等特征 指标进行监测。并同时提供一种基于泥石流动力学参数监测与条件判别 实现的泥石流预警系统。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流力学参数监测系统， 其技术方案如下：

一种泥石流力学参数监测系统，在泥石流沟道流通区布置监测断面 D，实时监测断面D上的泥石流平均流速V_C与泥石流重度γ_C，其特征在 于：依如下步骤实施：

步骤S1、布置监测断面D

确定泥石流沟道内流通区、危险区范围，在流通区布置监测断 面D；

步骤S2、调查确定本底参数

现场调查确定监测断面D所在处坡降I_C、监测断面D宽度B、 泥石流沟床糙率n_C、外阻力系数m、下游沟道最大安全排泄流量Q_p， 监测断面D至泥石流沟道危险区的距离L；

步骤S3、安装监测系统

安装监测系统，所述监测系统包括以无线通信联接的控制中心 与监测传感器，

所述监测传感器安装在监测断面D处，包括埋设在监测断 面D沟床内的总应力传感器与监测断面D上方的超声波泥位 传感器，所述总应力传感器与超声波泥位传感器在同一竖直轴 上；

步骤S4、泥石流力学参数监测

步骤S41、泥石流发生时，监测传感器实时采集并向控制中心 发送泥石流流深监测值h与总应力监测值P；

步骤S42、控制中心依式1计算监测断面D上的泥石流重度γ_C：

${\gamma }_c=\frac{P}{\mathrm{gh}·\cos \left(\arctan I_c\right)}$    式1

式中，h-泥石流流深监测值，m，步骤S41确定

I_C-监测断面D所在处坡降，步骤S2确定

n_C-泥石流沟床糙率，步骤S2确定

P-总应力监测值，kpa，步骤S41确定

g-重力加速度常量；

步骤S43、控制中心根据泥石流重度γ_C判断泥石流类型：

若1.0＜γ_c＜1.3，判断为高含沙水流

若1.3≤γ_c＜1.6，判断为稀性泥石流

若1.6≤γ_c＜1.9，判断为过渡性泥石流

若γ_c≥1.9，判断为粘性泥石流；

步骤S44、控制中心依式计算监测断面D上的泥石流平均流速 V_C：若为高含沙水流，依式2计算，若为稀性泥石流，依式3计算， 若为过渡性泥石流或粘性泥石流，依式4计算：

$V_c=\frac{1}{n}{R_h}^{2/3}{I_c}^{1/2}$式2

$V_c=\frac{m}{\sqrt{{\gamma }_H\phi +1}}{R}^{2/3}{I_c}^{1/10}$     式3

V_C＝(H_C^2/3×I_C^1/2)/n_c     式4

式中，n-曼宁系数，取值0.05

R_h-水力半径，m，依式5计算确定

I_C-监测断面D所在处坡降，步骤S2确定

m-外阻力系数，步骤S2确定

γ_H-泥石流固体物质比重，取值2.65t·m^-3

Φ-泥石流修正系数，依式6计算确定

R-泥石流水力半径，m，由泥石流流深监测值h代替

H_C-为泥位深度，m，由泥石流流深监测值h代替

n_C-泥石流沟床糙率，步骤S2确定

$R_h=\frac{\mathrm{hB}}{2h+B}$式5

φ＝(γ_c-1)/(γ_H-γ_c)      式6

式中，h-泥石流流深监测值，m，步骤S41确定

B-监测断面D宽度，m，步骤S2确定

γ_C-监测断面D上的泥石流重度，g·cm^-1，步骤 S42确定。

上述泥石流监测系统以泥石流动力学指标为监测对象。系统利用埋 设于监测断面沟床底部的总应力传感器测量沟道断面的物质通量，利用 总应力传感器上方的超声波测距仪测量同一位点的泥石流流深。在此基 础上，控制中心利用计算式测算得到泥石流沟道监测断面D上的实时泥 石流平均流速V_C与泥石流重度γ_C，实现对此二指标的实时监测。在泥石 流平均流速V_C计算时，基于不同重度下，泥石流的流体性质和流态的差 异，将泥石流的流速计算分为几种特定的情况进行详细区分，加以计算， 以保证流体流速计算的准确性和严谨性。同时也能使监测终端对泥石流 的性质有着准确的判断。

上述监测系统，监测断面D布置在泥石流沟道流通区内沟道横断面 形状规则、沟道冲淤变化小、沟床顺直、两边岸坡较高且陡直的位置。 其目的是便于超声波泥位计的安装，保证实测泥位和总应力数据的准确 性，进而测算出科学的泥石流流量，使得发布的预警信息更加有效。

在监测断面D的选取一流深监测位点，在该位点的竖直坐标轴上布 置上、下对应超声波泥位传感器与总应力传感器。其中，超声波泥位传 感器以支架形式支撑，固定安装在流深观测点上方，传感器探头对准沟 床。传感器探头通过数据线与主机相连。主机、太阳能板、电池等设备 固定在一体化支架上，安装在安全的泥石流沟谷坡或阶地上，支架基座 埋入地面，周围浇注水泥用以固定。太阳能板朝向阳方位固定，为避免 雷击，在支架顶部安装避雷针。在超声波泥位传感器探头下方的基岩沟 床挖洞坑，在洞坑内埋置安放总应力传感器，传感器受力面向上。总应 力传感器压重力固定，并打入膨胀螺丝稳定。顺着岸坡向主机方向挖制 管槽，传感器传输线沿管槽连接主机和总应力传感器。浇筑混凝土填满 洞坑，预留一定缝隙，最后在洞坑上回填覆盖并固定抗冲击环氧玻璃钢 盖板，盖板下表面与总应力传感器受力面紧接。

对于泥石流监测预警而言，监测指标始终处于变化状态。监测指标 值与临界条件阈值相差越大，该状态下发生临界灾变的可能性就越小， 因此可以适当降低监测频率与集控力度，节省电力、降低仪器运行的功 耗，便于野外长时间运行。监测指标值越接近临界条件阈值，该状态下 发生临界灾变的可能性就越大，且越容易发生临灾突变，引发潜在的灾 害。因而越接近临界条件阈值的监测指标值越具有特别重要的监测与分 析价值，对于重点密集监测这部分数据在灾害监测预警中显得尤为重要。 但在现有的泥石流监测预警中，这类情况往往被忽视，逼近临界条件阈 值的监测指标变化未被给予足够重视、密集监测，由此造成对瞬时数据 变化的遗漏观测、造成巨大的损失。因此，采取变频采集和发送技术， 重点监控预设阈值范围内的监控数据，及时分析处理灾情，保证较高的 预警准确率，降低误报、漏报率。基于此，本发明对上述监测系统进行 优化，具体是根据泥石流流深的实时变化特征对监测数据实行变频采集 与变频发送，以提高监测系统的准确性与应用价值。其具体技术方案如 下：

上述泥石流力学参数监测系统，在步骤S3中，在安装监测系统 固件后，在控制中心预置泥石流流深阈值H_p，泥石流流深阈值H_p依 式7计算确定：

$H_p=\frac{Q_p}{V_c·B}$    式7

式中，Q_P-下游沟道最大安全排泄流量，m³·s^-1，步骤S2 确定，

V_C-监测断面D上的泥石流平均流速，m·s^-1，步骤S4 确定，

B-监测断面D宽度，m，步骤S2确定。

在步骤S4中，泥石流发生时，控制中心实时计算泥石流流深变 化值Δh并根据流深判别条件选择传感器工作模式确定所述监测传感 器的对泥石流流深监测值h与总应力监测值P的数据采集周期T₁与 数据发送周期T₂：

泥石流流深变化值Δh依式8计算确定：

△h＝h_t-h_t-1      式8

式中，h_t-t时刻的泥石流流深监测值，m

h_t-1-t-1时刻的泥石流流深监测值，m

流深判别条件与传感器工作模式选择方法如表1所示：

表1流深判别条件与传感器工作模式选择方法

上述监测数据的变频采集与变频发送方法中，控制中心根据采集到 的泥石流流深数据，分析当前泥石流深流的变化特征(包括流深监测值 h与流深变化值Δh)、与接近临界阈值的程度。若当前泥石流流深特征接 近临界阈值则提高数据采集与发送频率，反之则降低。在此过程中，控 制中心采用两级流深判别条件进行判别：第一级是h判别条件，用于判 断当前流深总量，由此确定数据采集周期T₁，第二级是Δh判别条件， 用于判断流深变化程度，由此确定数据发送周期T₂。设计为两级条件判 别的原理在于：在第一级判别条件中，第一级别的判决条件h可以间接 反映出泥石流的规模。若h离预设阈值H_p相差越远，表明此状态下发生 灾害的概率越小，若h值越接近临界条件阈值，该状态下发生临界灾变 的可能性就越大，且越容易发生临灾突变，引发潜在的灾害。第二级判 别条件是对第一级判别条件的补充。第二级判别条件Δh可以反映泥石流 规模突变(激增或锐减)的程度。当Δh变化不大，表明流深过流稳定， 未出现流量激增的状态，发生临界灾变的概率越小；Δh变化越大，表明 流量发生激增状态，发生临界灾变的可能性越大，需要重点监控。两级 判别条件结合运行，能有效提高预报的准确率，尤其是降低监测数据逼 近临界阈值条件时的误报、漏报。

以上述泥石流力学参数监测系统为基本，本发明进一步提供一种泥 石流预警系统，实现对泥石流发生的分级预警，其技术方案如下：

一种利用上述泥石流力学参数监测系统实现的泥石流预警系统，对 泥石流发生规模实现分级预警，其特征在于：

步骤S5、泥石流发生规模预警

所述控制中心实时测算泥石流峰值流量Q_c，依据Q_c与下游沟道最 大安全排泄流量Q_p间流量判别条件确定泥石流发生规模及预警级别；

所述泥石流峰值流量Q_c依式9计算确定：

Q_c＝V_chB     式9

式中，V_C-监测断面D上的泥石流平均流速，m·s^-1，步 骤S4确定

h-监测断面D上的泥石流流深监测值，m，步骤 S4确定，

B-监测断面D宽度，m，步骤S2确定；

所述流量判别条件及预警级别如表2所示：

表2泥石流流量判别条件及预警级别

当泥石流预警级别进入黄色、橙色、红色时，控制中心分别发相应 的泥石流预警信号。

上述泥石流预警系统基于泥石流动力参数监测系统监测获取的泥石 流平均流速V_C数据并结合监测断面D的几何特征，可以确定泥石流流量， 预测泥石流灾害的成灾规模、严重程度，并最终确定0级→黄色→橙色 →红色四级泥石流灾害级别。

上述泥石流预警系统的基本原理在于，泥石流的发生规模不仅需要 考虑泥石流沟道形成区内在降雨条件下起动、汇集的泥、砂、土、石、 水的物质总量，同时还需要考虑这些物质是否会最终以一定的速度流动 到沟道内的危险区，因此需要考虑泥石流重度对泥石流运动特性及最终 形成规模的影响。现有的技术大多从起动时汇集的物质总量划分泥石流 级别，这样测的数据不一定准确，只是潜在危害的程度级别，不能准确 反映直接造成危害的那部分泥石流的危害程度，可能一部分会淤积在上 游段，把上游防治工程阻拦，不能直接对下游造成危害。靠近泥石流危 险区的流通区里的泥石流流量能直观真实的反映泥石流对下游直接的危 害程度。不同性质(例如重度)的泥石流流体特征不一样，因此流速、 流量有着很大的区别。将测得的泥石流流量与下游沟道最大安全排泄流 量进行比较，能科学地衡量给出泥石流的危害程度级别。

上述泥石流流预警系统，当控制中心判断泥石流预警级别为黄色或 橙色或红色时，可进一步测算泥石流发生时间发出时间警报。泥石流发 生时间是指泥石流从监测断面D运动到沟道流通区下游的危险区的时 间，具体方法是：

当控制中心判断泥石流预警级别为黄色或橙色或红色时实施步骤 S6；

步骤S6、泥石流发生时间预警

控制中心依式10测算泥石流发生预期时间T_c：

T_c＝L/V_c      式10

式中，L-监测断面D至泥石流沟道危险区的距离，m，步骤 S2确定

V_C一监测断面D上的泥石流平均流速，m·s^-1，步骤S4 确定。

上述泥石流流预警系统，当控制中心判断泥石流预警级别为黄色或 橙色或红色时，同时发布步骤S43中确定的泥石流类型信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供了一种能够同时 对泥石流流深、流速、峰值流量、重度等特征指标进行监测的泥石流监 测系统；(2)监测系统能够采用变频采集、记录、发送信号技术，根据 实际情况变频采集泥石流动力参数，监控泥石流发生的完整流程，不断 更新和验证监测信息，提供可靠准确的监测预警信息；(3)提供了一种 泥石流预警系统，该系统能够根据泥石流平均流速V_C数据并结合监测断 面D的几何特征确定泥石流的成灾规模，实现分级预警，并通过分级预 警算法设计，降低泥石流灾害误报漏报的概率，提高预警的准确性。

附图说明

图1-1是泥石流沟道高程图。

图1-2是监测断面D位置示意图(图中I、II、III、IV分别表示泥 石流沟道内物源区、形成区、流通区、危险区)。

图1-3是监测断面D上传感器安装示意图。

图1-4是总应力传感器埋置结构示意图。

图1-5是测距仪串口RS485接收数据算法流程图。

图1-6是采集频率调节程序算法流程图。

图2-1是泥石流预警数据分析流程图。

图2-2是数据预警处理算法流程图。

附图中的数字标记分别是：

1总应力传感器  2超声波泥位传感器  3抗冲击环氧玻璃钢盖板

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1-1～图1-6所示，一种泥石流力学参数监测系统。

步骤S1、布置监测断面D

图1-1是泥石流沟道高程图；图1-2是监测断面D位置示意图。在 泥石流沟道流通区内选择沟道横断面形状规则、沟道冲淤变化小、沟床 顺直、两边岸坡较高且陡直的位置设置监测断面D。

步骤S2、调查确定本底参数

现场调查，确定监测断面D所在处坡降I_C＝14.1％、监测断面D宽 度B＝30m、泥石流沟床糙率n_C＝0.14、外阻力系数m＝7.0、下游沟道 最大安全排泄流量Q_p＝2400m³·s^-1，监测断面D至泥石流沟道危险区的 距离L＝3000m。

步骤S3、安装监测系统

安装监测系统，监测系统包括以无线通信联接的控制中心与监测传 感器。

图1-3是监测断面D上传感器安装示意图。监测传感器安装在监测 断面D处，包括埋设在监测断面D沟床内的总应力传感器1与监测断面 D上方的超声波泥位传感器2，所述总应力传感器1与超声波泥位传感 器2在同一竖直轴上。

图1-4是总应力传感器埋置结构示意图。总应力传感器1埋置在所 述监测断面D沟床洞坑内，传感器受力面向上。洞坑上覆盖抗冲击环氧 玻璃钢盖板3，抗冲击环氧玻璃钢盖板3下表面与总应力传感器1受力 面紧接。

本实施方式中，超声波泥位传感器量程30m、辨率1mm、精度±0.2％， 使用modbus协议与上位单片机进行通信。总应力传感器采用振弦式压力 传感器，量程500KPa、分辨率(％FS)≤0.08、综合误差(％FS)≤2.0。振弦 式压力传感器需使用频率转换电路将输出的正弦波转换成方波，输出给 上位单片机。

传感器供电方案：传感器和单片机等对供电有严格要求，太阳能电 池板的输出电压受光照影响，输出不稳定，不能直接输出给蓄电池和系 统使用，同时蓄电池的输出电压也受电池电量的影响，也不能直接供给 电路使用，因此需要一个太阳能电池控制器来调节太阳能电池的输出电 压到稳定的12V，同时限制充电电流，防止过充对蓄电池造成损害。同 时要对蓄电池的输出电压进行降压并限制其输出电流，以满足单片机和 传感器的供电电压。考虑到蓄电池要持续性供电，在天气恶劣的情况下 太阳能电池板无法充电，因此需选择容量较大的蓄电池。太阳能电池控 制器采用经典的开关电源，具有较高的效率，降低了蓄电池的电量消耗。

在控制中心预置泥石流流深阈值H_p，依式7计算确定H_p＝9.0m。

步骤S4、泥石流力学参数监测

图1-5是测距仪串口RS485接收数据算法流程图。泥石流发生时， 监测传感器实时采集并向控制中心发送泥石流流深监测值h与总应力监 测值P。控制中心依式1计算监测断面D上的泥石流重度γ_C。

在t-1时刻，测得总应力监测值P＝117kpa、流深监测值h＝6m，则经 由式1计算得到该时刻监测断面D上泥石流重度γ_c＝1.95g·cm^-1。

根据泥石流重度γ_c＝1.95g·cm^-1，确定泥石流类型为粘性泥石流。

依式4计算确定监测断面D上的泥石流平均流速V_C＝(H_C^2/3×I_C^1/2)/n_C＝8.9m·s^-1。

在t时刻，测得总应力监测值P＝120.9kpa、流深监测值h＝6.2m。

控制中心实时依式8计算泥石流流深变化值Δh，有Δh＝0.2m。

图1-6是采集频率调节程序算法流程图。控制中心根据流深判别条 件选择传感器工作模式确定所述监测传感器的对泥石流流深监测值h与 总应力监测值P的数据采集周期T₁与数据发送周期T₂。

在t时刻，h＝6.2m、Δh＝0.2m，监控系统应选择工作模式一(见表 1)，具体数据采集周期T₁＝5min，数据发送周期T₂＝10min。

实施例二

在实施例一泥石流力学参数监测系统基础上实现的泥石流预警系 统。图2-1是泥石流预警数据分析流程图。

步骤S1～步骤S4依照实施例一内容实施。

步骤S5、泥石流发生规模预警

图2-2是数据预警处理算法流程图。控制中心实时依式9测算泥石 流峰值流量Q_c，并依据Q_c与下游沟道最大安全排泄流量Q_p＝2400m³·s^-1间流量判别条件确定泥石流发生规模及预警级别。

在t-1时刻，V_C＝8.9m·s^-1、γ_c＝1.95g·cm^-1、h＝6m，则此时，Q_c＝ 1602m³·s^-1，依表2所列，系统发布黄色预警。

步骤S6、泥石流发生时间预警

控制中心依式10测算泥石流发生预期时间T_c，有T_c＝337s，表现在 t-1时刻，泥石流将在337s内到达危险区。

控制中心同时确定将发生的泥石流类型为粘性泥石流。